《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造》雜志于1963年創(chuàng)辦，系國家核心期刊、科技論文統(tǒng)計(jì)用刊，美國《劍橋科學(xué)文摘)，俄羅斯《文摘雜志》收錄檢索期刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。每期發(fā)行量2萬余份，讀者人數(shù)超過十萬人。三十余年來多次受到國家機(jī)械部、中國機(jī)械工程學(xué)會、新聞出版局、科委等主管部門的表獎(jiǎng)，是我國機(jī)械行業(yè)最有影響的專業(yè)刊物之一。
　　摘要：文章以北海誠德不銹鋼集團(tuán)回轉(zhuǎn)窯分廠直接還原窯的控制系統(tǒng)為例，介紹了PLC在紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，囊括直接還原窯的生產(chǎn)工藝流程、系統(tǒng)控制方案的硬件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。此套系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)完全依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求條件進(jìn)行，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需求。

　　關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng),紅土礦直接還原窯,生產(chǎn)工藝流程,系統(tǒng)控制方案,STEP7組態(tài)軟件

　　1 紅土礦直接還原窯的工藝流程

　　1.1 工藝第一階段

　　存放在原料場的含水成份高的紅土礦原料，經(jīng)過鏟車搬運(yùn)到地下料倉，經(jīng)過板式給料機(jī)后，在帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)下，經(jīng)過濕礦破碎機(jī)破碎后，被送到烘干窯當(dāng)中，這些破碎后的紅土礦經(jīng)過800℃～1200℃的廢氣和熱空氣的加熱蒸發(fā)掉大部分水分后，再經(jīng)過干破設(shè)備進(jìn)行二次破碎設(shè)備的破碎，以滿足生產(chǎn)工藝對原料粒度要求的5～8mm。這樣的干礦可以直接送配料紅土礦料倉使用，也可以落地作為備用原料庫存。

　　1.2 工藝第二階段

　　各種原料包括經(jīng)過烘干的紅土礦、除塵灰、焦粉、白云石等經(jīng)過自動(dòng)配料后，在帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)下，進(jìn)入混合機(jī)進(jìn)行混合�；旌狭显趲�式輸送機(jī)的傳動(dòng)下，進(jìn)入壓球車間的混合料倉內(nèi)，經(jīng)過壓球機(jī)，制作成球的成品球礦，進(jìn)入紅土礦直接還原窯窯尾的成球倉中。成球料經(jīng)過拖拉皮帶給料秤，進(jìn)入直接還原窯窯內(nèi)，進(jìn)行預(yù)熱、高溫還原，水淬后成品經(jīng)過撈渣機(jī)，而得到還原成品的燒結(jié)礦。

　　1.3 工藝第三階段

　　成品燒結(jié)礦在帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)下，經(jīng)過一次粗顎破、二次細(xì)顎破，在電磁除鐵器的作用下，分離出含鎳的干鎳鐵，此部分直接落地裝袋，另外一部分燒結(jié)礦再經(jīng)過一次對輥粗破、二次對輥細(xì)破，在永磁電動(dòng)滾筒的作用下，分離出含鎳的高鎳鐵粉，此部分直接落地存儲，另外一部分燒結(jié)粉礦，在帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)下，進(jìn)入球磨機(jī)進(jìn)行研磨成細(xì)粉，再經(jīng)過三級磁選機(jī)和尾礦磁選機(jī)，分離出濕的含鎳鐵粉，尾渣由沖渣泵送到壓濾機(jī)進(jìn)行除水處理，落地做后續(xù)處理。

　　詳細(xì)紅土礦直接還原窯工藝流程圖如圖1所示：

　　2 PLC控制方案

　　整個(gè)直接還原窯生產(chǎn)線包括很多系統(tǒng)，如原料烘干系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、混料壓球系統(tǒng)、皮帶聯(lián)鎖系統(tǒng)、直接還原窯系統(tǒng)、窯頭噴煤系統(tǒng)、脫硫除塵系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)、靜電除塵煙氣系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)以及附屬系統(tǒng)等，所有的這些系統(tǒng)都存在多個(gè)子環(huán)節(jié)，例如設(shè)備順啟順停子環(huán)節(jié)、原料配比子環(huán)節(jié)、調(diào)速電機(jī)控制子環(huán)節(jié)、現(xiàn)場過程儀表檢測子環(huán)節(jié)等等，這就使直接還原窯生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，若這些子環(huán)節(jié)中的任何一環(huán)出了問題，都將導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線產(chǎn)生嚴(yán)重的事故;考慮到生產(chǎn)線所處的環(huán)境較為惡劣、粉塵較大，并伴隨強(qiáng)烈的電磁干擾，整個(gè)控制系統(tǒng)采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以PLC為核心的EIC系統(tǒng)控制，構(gòu)成儀、電合一的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備都需要有很高的可靠性要求;此外，為便于企業(yè)后期發(fā)展的需要，對系統(tǒng)設(shè)備預(yù)留備用接口。

　　結(jié)合上述的系統(tǒng)分析，根據(jù)紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)所處的特殊環(huán)境，同時(shí)考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的綜合要求，北海誠德集團(tuán)直接還原窯控制系統(tǒng)采用了西門子高性能產(chǎn)品S7-400系列工控整體控制方案。

　　3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　該系統(tǒng)硬件采用了比較合理的模塊化的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)硬件的配置和擴(kuò)展模塊的使用可以使系統(tǒng)按照多種不同的要求實(shí)現(xiàn)較為靈活的組合。該系統(tǒng)硬件主要是由PS模板(電源模板)、CPU模板(中央處理單元)、SM432模板(模擬量輸出模板)、SM421模板(數(shù)字化輸入模板)、SM431模板(模擬量輸入模板)、SM422模板(數(shù)字化輸出模板)、CP443-1模板(信息通訊模板)、IM153-2模板(擴(kuò)展接口模板)等多個(gè)模塊組成。該硬件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示：

　　在自動(dòng)化分區(qū)上分為8個(gè)控制站，分別為原料準(zhǔn)備系統(tǒng)、配混造球系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、破碎磁選系統(tǒng)、水系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控共有13套，分別為原料準(zhǔn)備系統(tǒng)2套(1套操作員站+1套工程師站)、配混造球系統(tǒng)2套、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)5套(4套操作員站+1套工程師站)、破碎磁選系統(tǒng)2套、水系統(tǒng)2套。

　　工廠網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示：

　　3.1 供電模板

　　主站選用PS407電源模板，120/230VAC輸入。

　　3.2 中央處理單元

　　該處理單元為此套控制系統(tǒng)的核心部分，所有的操作都是需由其進(jìn)行才能實(shí)現(xiàn)，如外部信號掃描、數(shù)據(jù)輸出、計(jì)算和邏輯處理等工作。該硬件系統(tǒng)所選用的中央處理器為CPU417-4H，30MB RAM，它是一個(gè)帶有PROFIBUSDP主/從接口和中/大規(guī)模程序量的中央處理器。它不僅可以組成被構(gòu)造成集中式的I/O結(jié)構(gòu)，而且還可以構(gòu)造成為分布式的自動(dòng)化式結(jié)構(gòu)。

　　3.3 擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模板

　　該模塊主要被用于S7-400PLC的中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間的。

　　3.4 信息通訊模板

　　選用西門子400系列CP443-1通訊處理器，該系統(tǒng)具有很多通訊接口，如MPI接口、PROFIBUS接口及工業(yè)以太網(wǎng)接口等，并支持各種信息通訊協(xié)議。

　　4 軟件的構(gòu)成

　　4.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺概要描述

　　直接還原窯自動(dòng)化系統(tǒng)配有13臺操作員站(部分兼工程師站)。在工程師站上安裝有完整的SIMATIC自動(dòng)化系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，利用該軟件開發(fā)平臺，工程技術(shù)人員能很方便地完成整個(gè)系統(tǒng)所有的組態(tài)和編程工作，主要包括系統(tǒng)硬件設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、現(xiàn)場控制站控制程序生成、操作員站人界面程序的生成、建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、生成各類記錄和報(bào)表、打印各種系統(tǒng)文檔。

　　西門子SIMATIC自動(dòng)化系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺主要包含STEP7工業(yè)控制編程軟件和WinCC人機(jī)界面編程軟件兩大部分，均可運(yùn)行在微軟XP操作系統(tǒng)平臺上。 　　4.2 SIMATIC STEP7編程軟件

　　SIMATIC STEP7是一個(gè)用于SIMATIC S7可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)軟件，它是一種采用模塊化設(shè)計(jì)、符合國際標(biāo)準(zhǔn)、支持多種編程語言、簡單易用的編程工具。利用此編程工具，可使工程技術(shù)人員很方便地完成自動(dòng)化系統(tǒng)要求的多方面功能，例如硬件的配置，參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)通訊組態(tài)，程序文檔生成，控制程序的編寫、測試、啟動(dòng)和維護(hù)，系統(tǒng)故障診斷等。

　　該編程軟件可以為用戶提供3種設(shè)計(jì)程序的方法，分別是模塊化編程方法、線性化編程方法及結(jié)構(gòu)化編程方法。針對紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，本系統(tǒng)采用了編程軟件的結(jié)構(gòu)化編程方法來進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，該方法對原來那些比較復(fù)雜的控制任務(wù)進(jìn)行逐一分解，使之能夠更加直接反映整個(gè)的工藝、控制過程功能或能實(shí)現(xiàn)反復(fù)利用的小模塊集合。同時(shí)充分利用了西門子編程軟件本身自帶的豐富的功能模塊，比如FB(功能塊)、OB(組織塊)、DB(數(shù)據(jù)塊)和FC(功能函數(shù))等。

　　4.3 上位機(jī)的SIMATIC WINCC組態(tài)軟件

　　系統(tǒng)采用了西門子SIMATIC WinCCV7.0 SP1版作為此套系統(tǒng)上位機(jī)的主要監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、使用方式非常靈活，同時(shí)自身功能十分強(qiáng)大。直接還原要整個(gè)系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的上位監(jiān)控及操作界面有如下：(1)原料烘干系統(tǒng)流程運(yùn)行圖界面;(2)煙氣除塵脫硫塔系統(tǒng)運(yùn)行圖界面;(3)靜電除塵系統(tǒng)運(yùn)行圖界面;(4)多種原燃料配料系統(tǒng)流程運(yùn)行圖界面;(5)混料壓球系統(tǒng)流程運(yùn)行圖界面;(6)每座回轉(zhuǎn)窯工藝流程運(yùn)行圖界面;(7)選礦系統(tǒng)流程運(yùn)行圖界面;(8)系統(tǒng)溫度趨勢變化圖界面;(9)系統(tǒng)報(bào)警記錄圖界面;(10)系統(tǒng)壓力趨勢圖界面等。以上操作界面可以讓中控操作人員在主控室內(nèi)可以通過上位機(jī)各個(gè)系統(tǒng)界面的切換按鈕實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)監(jiān)控畫面相互無擾動(dòng)自由切換。另外，在中控室的數(shù)據(jù)服務(wù)器后臺還可以完成對現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集設(shè)置與調(diào)用輸出、實(shí)時(shí)通訊、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲、打印等多種

　　功能。

　　5 結(jié)語

　　本文以北海誠德不銹鋼集團(tuán)紅土礦直接還原窯的現(xiàn)場實(shí)際使用的控制系統(tǒng)為例，介紹了國際知名品牌西門子工控硬件、編程軟件Step7和組態(tài)軟件WinCC在直接還原窯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　該紅土礦直接還原窯控制系統(tǒng)自2013年11月投入正常運(yùn)行以來，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性都得到較好的好評，設(shè)備運(yùn)行良好，事故率接近于零。此套系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)完全依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求條件進(jìn)行，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需求。該套系統(tǒng)使得誠德集團(tuán)的紅土礦直接還原窯的成品的質(zhì)量與產(chǎn)量都得到了很大的提高，同時(shí)使得依含高鎳鐵的燒結(jié)礦為主要產(chǎn)品的整個(gè)直接還原回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)了高安全、高穩(wěn)定、高節(jié)能的目標(biāo)，也取得了數(shù)目可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　參考文獻(xiàn)

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